多品种小批量离散加工的智能制造系统

多品种小批量生产是大势所趋，装配生产企业往往以单元线模式应对取得了很好的效果，但是对于离散制造加工企业，按照成组工艺组建的单元线多数并不能正常运行，主要原因是工序多、工序节拍平衡性差、生产异常冲击影响大等等，如何解决这个问题呢？柔性化制造单元模式避开了工序间工时差异大的矛盾，是多品种小批量离散制造提高效率的※佳实践。

一、提高离散加工生产效率的有效途径分析

从离散加工生产过程的时间组成来看，D、G是增值时间，其余都是非增值时间。提高生产效率的主要途径是有效降低甚至取消换刀、换工装、装卸等不增值时间，如下图：

常用的方法以及效果有：

1. OEE通过减少停机时间、提高质量来增加设备综合效率，可以降低A、B、C、F、H的时间，但一般不能消除。

2.SMED通过刀具、工装切换的标准作业可以降低A、B的时间，通过内外部作业转换可以降低E的时间。

3.TPM通过减少故障停机，提高设备性能可靠性，可以减少H、E、G的时间。

4. 工艺改进、程序优化可以降低D、G的时间。

5.6S管理可以降低H时间。

上述方法都只能是逐步降低不增值时间，不能“消除”时间，而柔性制造技术则可以将不增值时间A、B、C、E、F全部“消除”，即转入外部作业模式，从而大大提高设备时间利用率，提高生产效率。

二、柔性化制造系统的构成

柔性制造系统是上世纪60年代起源于英国，之后日本将之发扬光大，对日本制造业30年辉煌功不可没。我国于上世纪80年代引入，发展30多年一直少有成功案例，随着企业数字化、智能化转型升级的逐步深入，近几年来国内柔性制造技术应用风起云涌，格力G-FMS线、三一重工FMS线成效显著。

离散机械加工的柔性制造系统一般由以下子系统构成：

1、通用托盘或多功能抓手系统：这是柔性制造系统的基础核心，快速高精度重复定位技术、联动锁紧技术的成熟应用为柔性制造系统的普及带来了发展机遇。

2、加工设备组合：目前国际上柔性制造系统通常采用自律分散式单元模式，加工设备数量少，但是可组合性强。常用的柔性加工设备有卧式加工中心、立式加工中心、数控车床、数控磨床、三坐标测量等，有的企业将钳工工序、装配作业整合进柔性制造单元中，也取得了不错的效果。

3、刀库系统：一般的数控加工设备自带刀库容量小，换型时换刀时间占比大，影响了效率的提升。而柔性制造系统往往采用共用大型刀库，由机器人为每台加工设备配送刀具，可以将换刀时间几乎全部转入外部作业。

4、物料系统：物料系统包括工件的存储、托盘的存储、工装的存储、工件的装卸、工件托盘的运输等等，是实现柔性制造的关键技术。物料存储一般采用货架模式，工件、空托盘、工装以及作业托盘（安装了工装和工件）分别占用不同的货位区域，通常设置工件/工装装卸的独立的工作站，而运输到加工设备的形式比较多样，比如有基于堆垛机的，有基于导轨机器人的，有基于AGV/RGV 的。比较简单的物流系统是采用桁架机械手+两工位工件装卸工作站模式，比较适用于数控加工为主的柔性制造系统。

5、控制工作台：单机或双机柔性制造单元可以应用设备原有的控制系统，但较复杂的FMS系统往往需要设置独立的控制工作台，与各设备原有的控制系统一起，构成控制网络，以运行统一计划、调度职能。立体货仓、机器人/堆垛机/AGV/RGV、加工程序数据库的管理都需要集成到控制工作台集中进行管理。

6、其他系统：包括切屑自动收集/输送系统、切削液补给系统、刀具重定位系统、刀具自补偿系统、CCD视觉识别系统等等，依据柔性制造的复杂需求程度而有不同的规划设计方案。

三、柔性制造系统的规划要素

柔性制造单元，要结合企业自身产品的特点和加工属性进行规划设计，同时也要考虑现有设备状况和可改造能力：

1、首先还是产品的工艺分类分组。可以按照成组工艺技术方法将所有的产品进行分类分组，形成初步的范围清单。

2、其次要综合考虑设备、刀具的应用情况进行分组。目的是确定设备组合，以及刀库的容量组合。

3、再次按照产品的工序加工特点，从外形尺寸、定位方式、紧固方式等要素进行分析，从而确定通用托盘的方式，或者多功能抓手的结构构成。

4、结合产品产量需求和生产节拍，来规划物料系统要采用的模式以及区域面积、货位数量等，并且选择确定工件的运输方式，是堆垛机，还是机器人，还是AGV等，当然系统的可扩展性也是需要考虑的重要因素之一。

5、然后规划柔性制造系统的集成控制子系统，是否需要实现程序集中管控，工件运输系统以及原有设备控制台的功能是否需要集中整合等等，确定控制台总体方案。

6、其他系统的设计规划。排屑系统、冷却液补偿等等可以利用原有系统，也可以进行改造，并入中控台集中管控。但是从系统的柔性化来讲，我们并不建议都进行集中管控，这往往会对后续的柔性化调整带来约束困难。

柔性制造系统是提高多品种小批量离散加工制造效率的※有效方法之一，也是企业数字化、智能化转型的必由之路。柔性制造技术的应用不仅是为了精简人力，降低人力成本，更重要的是缩短生产周期，并解决零件加工的同一性问题，提高产品的质量水平。因而企业只有结合企业自身产品的特征以及实际生产需求，尽快选用适合自己的柔性制造系统，充分发挥其柔性价值，才能在激烈的市场竞争中脱颖而出。

作者：胡玉江，北大纵横精益运营及智能制造研究院院长

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